Les nanotubes de carbone sont légendaires dans leur force - au moins 30 fois plus fort que le Kevlar pare-balles selon certaines estimations. Lorsqu'il est mélangé avec des polymères légers tels que les plastiques et les résines époxy, les petits tubes renforcent le matériau, comme la barre d'armature dans un bloc de béton, des matériaux légers et résistants prometteurs pour les avions, vaisseaux spatiaux, voitures et même des équipements sportifs.

Alors que de tels nanocomposites nanotubes de carbone-polymère ont suscité un énorme intérêt de la part de la communauté des chercheurs en matériaux, un groupe de scientifiques a maintenant la preuve qu'un nanotube différent, fabriqué à partir de nitrure de bore, pourrait offrir encore plus de résistance par unité de poids. Ils publient leurs résultats dans la revue Lettres de physique appliquée .

Nitrure de bore, comme le carbone, peuvent former des feuilles d'un seul atome d'épaisseur qui sont roulées en cylindres pour créer des nanotubes. En eux-mêmes, les nanotubes de nitrure de bore sont presque aussi résistants que les nanotubes de carbone, mais leur véritable avantage dans un matériau composite vient de leur forte adhérence au polymère.

« Le maillon le plus faible de ces nanocomposites est l'interface entre le polymère et les nanotubes, " dit Changhong Ke, professeur agrégé au département de génie mécanique de la State University of New York à Binghamton. Si vous cassez un composite, les nanotubes qui dépassent ont des surfaces propres, au lieu d'avoir des morceaux de polymère encore collés à eux. La cassure nette indique que la connexion entre les tubes et le polymère est défaillante, Ke a noté.

Cueillir des nanotubes

Ke et ses collègues ont mis au point une nouvelle façon de tester la résistance du lien nanotube-polymère. Ils ont pris en sandwich des nanotubes de nitrure de bore entre deux fines couches de polymère, avec certains des nanotubes qui dépassent. Ils n'ont sélectionné que les tubes qui sortaient tout droit du polymère, puis soudé le nanotube à la pointe d'une minuscule poutre en porte-à-faux. L'équipe a appliqué une force sur le faisceau et tiré de plus en plus fort sur le nanotube jusqu'à ce qu'il soit arraché du polymère.

Les chercheurs ont découvert que la force nécessaire pour arracher un nanotube au début augmentait avec la longueur du nanotube, mais ensuite plafonné. Le comportement est signe que la connexion entre le nanotube et le polymère est défaillante à travers une fissure qui se forme puis s'étend, dit Ke.

Les chercheurs ont testé deux formes de polymère :l'époxy et le poly(méthacrylate de méthyle), ou PMMA, qui est le même matériau utilisé pour le plexiglas. Ils ont découvert que l'interface nanotube époxy-nitrure de bore était plus résistante que l'interface PMMA-nanotube. Ils ont également constaté que les deux forces de liaison des nanotubes polymère-nitrure de bore étaient plus élevées que celles rapportées pour les nanotubes de carbone, 35 % plus élevées pour l'interface PMMA et environ 20 % plus élevées pour l'interface époxy.

Les avantages des nanotubes de nitrure de bore

Les nanotubes de nitrure de bore se lient probablement plus fortement aux polymères en raison de la façon dont les électrons sont disposés dans les molécules, Ke a expliqué. Dans les nanotubes de carbone, tous les atomes de carbone ont des charges égales dans leur noyau, les atomes partagent donc les électrons de manière égale. Dans le nitrure de bore, l'atome d'azote a plus de protons que l'atome de bore, donc il monopolise plus d'électrons dans la liaison. La répartition inégale des charges entraîne une attraction plus forte entre le nitrure de bore et les molécules de polymère, comme vérifié par des simulations de dynamique moléculaire réalisées par les collègues de Ke dans le groupe du Dr Xianqiao Wang à l'Université de Géorgie.

Les nanotubes de nitrure de bore présentent également des avantages supplémentaires par rapport aux nanotubes de carbone, dit Ke. Ils sont plus stables à haute température et ils peuvent mieux absorber le rayonnement neutronique, les deux propriétés avantageuses dans l'environnement extrême de l'espace extra-atmosphérique. En outre, les nanotubes de nitrure de bore sont piézoélectriques, ce qui signifie qu'ils peuvent générer une charge électrique lorsqu'ils sont étirés. Cette propriété signifie que le matériau offre une récupération d'énergie ainsi que des capacités de détection et d'actionnement.

Le principal inconvénient des nanotubes de nitrure de bore est leur coût. Actuellement, ils se vendent environ 1 $, 000 par gramme, comparé aux 10-20$ par gramme pour les nanotubes de carbone, dit Ke. Il est optimiste que le prix va baisser, bien que, notant que les nanotubes de carbone étaient tout aussi coûteux lorsqu'ils ont été développés pour la première fois.

"Je pense que les nanotubes de nitrure de bore sont l'avenir pour la fabrication de composites polymères pour l'industrie aérospatiale, " il a dit.